Small Science:外尔半金属Mn3Sn的最新研究

在狄拉克(Dirac)提出的描述电子运动的量子力学方程中,电子可以看成是一个个小陀螺,其自转轴取向可以沿着整体运动方向,也可以与之相反,这就定义了狄拉克费米子的“手性”。前一类粒子的自转和整体运动方向之间满足右手法则,而后一类则满足左手法则。每一类具有明确“手性”的费米子就被称为外尔(Weyl)费米子,它们的运动满足外尔方程,其自由度恰好是狄拉克方程的一半。如果不同手性的费米子在动量空间的同一点产生,那么这就是拓扑狄拉克半金属,这意味着不同手性的外尔费米子只能同时被产生和消灭。如果在某一个特殊体系中,电子只能处在特定的“左手”或者“右手”状态,这时候会发生“手性反常”,已经被证明是不可能的(著名的no-go theorem)。(也就是说在相互平行的磁场和电场作用下,具有特定“手性”的电子会被源源不断地产生出来。)

图1. 手性不同的费米子(来源:Physics, 2016, 45, 10, 535)

在某类晶体中,如果无简并的能带在动量空间某处相交,而交点(外尔点)的能量又恰好在费米能级附近,那么这类晶体中电子的低能运动就可以用外尔方程来描述,也可以说在这类晶体中出现了具有某种“手性”的外尔费米子,相应的材料就被称为外尔半金属 (Weyl Semimetal) 。在一些非中心对称的材料中,由于反演中心被破坏,不同手性的外尔费米子在这些材料中会被分离:手性相反的外尔点成对出现在不同的K点,在相互平行的电场和磁场驱动下,电子会在“左手”外尔点处不断消失,而在“右手”外尔点处不断涌现,从而形成一种电磁场共同驱动的,只能沿着磁场方向发生的特殊电子输运模式。最终当电流和磁场方向平行时导致很大的负磁阻,这可以看成是“手性”反常在凝聚态物质中的体现。

图2. 三维狄拉克半金属、拓扑或普通绝缘体、最简单的非磁性和磁性Weyl 半金属之间的关系(来源:Physics, 2015, 44, 04, 253)

外尔半金属的发现为拓扑和自旋电子学的两个世界之间架起了桥梁,表现出奇异性质,包括没有任何能量损失的超快电子,被誉为三维的石墨烯。此外,外尔半金属的磁学性能在电动车的磁铁到硬盘驱动器中的自旋电子设备等领域展现出巨大的潜在应用价值。

磁性外尔半金属是近年来广泛研究的热点。由于磁结构为Weyl点的配置及其传输响应提供了可控的处理方法,对磁动力学的理解应该成为未来拓扑磁体控制的基础。Mn3Sn是反铁磁外尔半金属的代表性材料,2020年日本固体物理研究所和东京大学物理系的Satoru Nakatsuji教授领导的实验室的研究人员在Nature上报道了利用外尔费米子制造下一代超快存储设备的方法。他们发现在Mn3Sn中,外尔费米子存在于动量空间中的外尔点有两种可能的状态,可以代表二进制数字,通过外部电流控制可以实现切换。与基于这种技术的存储器的读写速度相对应的交换速率是每秒数万亿次,或太赫兹。目前的高端电脑内存每秒开关数为十亿次。

Small Science最新发表的两篇“背靠背”论文中,该团队进一步报道了在Mn3Sn中首次观察到的时间分辨八极子振荡以及电开关产生的大霍尔信号。

图3. D019-Mn3Sn簇八极子和其振动模式

Mn3Sn的非共线自旋序可以看作是簇磁八极子的铁磁有序, 打破了时间反演对称性,稳定了外尔点,并在费米能附近显著增强了贝里(Berry)曲率。Shinji Miwa副教授和Takuya Nomoto博士最近报道了在Mn3Sn中首次观察到的时间分辨八极子振荡。特别是发现了八极子动力学的巨大有效阻尼,并且可以实现小于10ps的超快转换,比铁磁体中的自旋磁化快100倍。此外,还从理论上预测了超过10 km/s的高畴壁速度。这项工作为利用拓扑反铁磁实现超快电子器件铺平了道路。相关结果在线发表在Small Science上(论文一)。

而同时发展电子操纵外尔半金属状态技术是利用拓扑刚性设计非易失性存储器的关键步骤。近年来,利用Mn3Sn/重金属(Pt, W)异质结中反常霍尔效应的读出信号,首次实现了对反铁磁外尔半金属Mn3Sn的人为操纵。

图4.(a)Mn3Sn的晶体和自旋结构;(b)基于Mn3Sn/W双层结构的存储器示意图;(c)Mn3Sn/重金属器件电极测试装置和自旋轨道扭曲示意图

同时在另一项Nature报道的后续工作中,Hanshen Tsai 博士报道了反铁磁韦尔半金属态的电开关产生的大霍尔信号:(i)去除Ru的缓冲层来调整Mn3Sn的晶体取向;(ii)通过沉积重金属后退火来改变界面环境,可以显著增强霍尔信号的切换。Mn3Sn/W样品的霍尔电阻转换值为0.35 Ω,比Ru/Mn3Sn/Pt异质结的霍尔电阻转换值大了一个数量级。此外,通过增加读出电流,他们发现读出电压可能远远超过1 mV,这是未来将外尔半金属应用于存储技术的一个里程碑。相关结果发表在Small Science上(论文二)。

中辻·酒井研究室网站:https://www.nakatsuji-lab.phys.s.u-tokyo.ac.jp/

部分内容源自:

1. 拓扑Weyl半金属简介,Physics, 2016, 44, 07, 427

2. 拓扑半金属研究最新进展,Physics, 2015, 44, 04, 253

3. 漫谈第二类Weyl半金属,Physics, 2016, 45, 10, 535

论文信息:

论文一

Giant Effective Damping of Octupole Oscillation in an Antiferromagnetic Weyl Semimetal

Shinji Miwa*, Satoshi Iihama, Takuya Nomoto*, Takahiro Tomita, Tomoya Higo, Muhammad Ikhlas, Shoya Sakamoto, YoshiChika Otani, Shigemi Mizukami, Ryotaro Arita, Satoru Nakatsuji

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202000062

论文二

Large Hall signal due to electrical switching of an antiferromagnetic Weyl semimetal state

Hanshen Tsai, Tomoya Higo, Kouta Kondou, Shoya Sakamoto, Ayuko Kobayashi, Takumi Matsuo, Shinji Miwa, Yoshichika Otani, Satoru Nakatsuji*

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202000025